1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

1.1 引言

现代工业对密封的可靠性提出了越来越高的要求，密封失效不仅会造成巨大的经济损失，而且会污染环境，甚至酿成重大人员伤亡事故。日本炼油行业近十年来的燃烧爆炸事故调查结果表明，其灾难性事故70%以上是由于泄漏造成的。美国挑战者号航天飞机的泄漏爆炸事件则已引起世界范围内的巨大震动。垫片密封广泛应用于压力容器和管道的连接，密封系统的可靠性直接关系到工业装备的安全可靠运行。由此可知，研究承受动载荷垫片的力学行为和开发新型的复合垫片显得非常迫切。

1.2 承受动载荷作用的新型复合垫片力学行为的研究

1.2.1 垫片密封泄漏模型研究

(1)现有泄漏模型

螺栓法兰连接是工业设备及管道的主要连接方式, 该连接有两种泄漏形式，即界面泄漏和渗透泄漏。界面泄漏是指流体通过密封元件与被密封件接触面间间隙的泄漏；渗透泄漏是指流体通过密封元件本体内部孔隙的泄漏。流体的密封就是通过被密封件和密封元件间的相互紧密接触，依靠密封元件的弹塑性变形，减小泄漏通道，以增加流动阻力来实现的。由于任何制造或加工方法都不可能形成绝对光滑的理想表面，也不可能实现密封面间的完全嵌合以及密封件毛细孔的完全阻塞，所以在相互接触的密封面间和密封件的内部总是存在着细微的间隙或通道，因而对垫片密封来说，泄漏是不可避免的。为了有效地研究泄漏现象，人们很早就对密封机理进行了研究，并且提出了几种泄漏模型。现有的垫片泄漏模型主要有三种：即平行圆板模型、三角沟槽模型、多孔介质模型。

现有泄漏模型平行圆板模型将流体介质通过密封点处的泄漏简化为介质通过间隙高度为h,由圆板内径r1处流至外径r2处的定常、层流流动， 其体积泄漏率为:

（1）

式中，P2、P1分别为垫片内、外侧的压力。三角沟槽模型认为，垫片与法兰面的间隙由许多三角沟槽所组成，设H为三角沟槽的深度，L为三角沟槽的底宽，b为流道的长度( 通常为垫片的宽度)，为介质密度，则体积泄漏率为:

对于液体： （2）

对于气体： （3）

多孔介质模型将垫片材料近似看作是各向同性的多孔介质， 其内部流道及法兰与垫片的接触面间的泄漏通道由多个弯弯曲曲、半径不等的毛细管组成。气体通过多孔介质的流动状态可分为层流和分子流，其流率为层流流率和分子流流率之和。泄漏率方程为:

（4）

前面两种泄漏模型都是针对界面泄漏且基于层流流动而建立的，在实际的连接中既有界面泄漏,又有渗透泄漏，在微小的泄漏通道中不仅有层流流动还有分子流流动，故多孔介质模型更好地描述了垫片密封的泄漏情况。

（2）试验研究

公式(4)中系数 、 、nL、nM 必须通过试验得到，本文在多功能全自动垫片综合性能试验机[3]上对非石棉橡胶垫片和柔性石墨缠绕垫片进行了密封性能试验，试验条件见表1。

试样	数量	试样介质	预紧比压（MPa）	介质压力（MPa）	试验温度（℃）
非石棉橡胶垫片	2	99.9%工业纯氮	20，30,40,50, 60	1,2,3,4,5,6	20
柔性石墨缠绕垫片	2	99.9%工业纯氮	20,30,45,60， 70	1,2,3,4,5,6	20

两种垫片在不同垫片初始压紧应力下的泄漏率与试验压力差的关系曲线分别如图1、2所示。由图1、2可看出，同种垫片得到的两组泄漏率与垫片内外压差的关系曲线十分相似,这表明了试验具有较好的重复性。在较低的垫片压紧应力、较高的试验压力情况下,泄漏率增加较为明显；而在较高的垫片压紧应力、较低的试验压力情况下曲线较为平坦。

图1 非石棉橡胶垫片在不同初始压紧应力下泄漏率与压差的关系

图2 柔性石墨缠绕垫片在不同初始压紧应力下泄漏率与压差的关系

将试验数据综合起来进行回归分析,得到的系数AL 、AM、nL、nM 如表2。将这些系数代入到公式(4)中,便可以得到非石棉橡胶垫片和柔性石墨缠绕垫片的泄漏率计算公式:

非石棉橡胶垫片:

（5）

柔性石墨缠绕垫片:

(6)

表2 泄漏率公式中的系数

试样	AL	AM	nL	nM
非石棉橡胶垫片	7.05#215;10-6	3.42#215;10-5	2.6	2.2
柔性石墨缠绕垫片	4.24#215;10-7	2.65#215;10-5	2.40	1.80

显然，这一泄漏率是与实验所采用的垫片试样、试验介质和试验条件相对应的。实际连接的泄漏率 随垫片宽度和介质粘度的增加而减小， 随垫片外径的增加而增大。故 可按如下修正公式计算[4]:

(7)

分析公式(5)、(6)中的系数可以发现，在高垫片压紧应力、低试验压力下,气体通过垫片的泄漏主要呈分子流状态，泄漏率与压差(P1- P2)成正比；在低垫片压紧应力、高试验压力下,泄漏主要表现为层流,泄漏率与压力平方差(P21- P22)成正比,此时分子流引起的泄漏可忽略不计,压力容器和管道的大部分密封属于这一类型。公式(4)中的各系数为表征垫片性能的常数，它们可以通过试验得到。这些常数将密封连接的紧密性设计参数：泄漏率、压紧应力、介质压力联系在一起,因而有可能在已知操作工况和最大允许泄漏率的前提下对密封连接作出合理的设计,亦可对现役设备的紧密性作出评定,这为现行规范中的密封设计主要由依据连接结构强度的设计方法发展为以最大泄漏率为设计准则的密封连接的紧密性设计提供了理论依据。

1.2.2 垫片密封的可靠性分析

（1）应力#8212;强度干涉模型

对某一机械零件,由于其材料性能、尺寸、工作载荷、温度等均为随机变量，使得它的强度r和工作应力s并非定值，而是服从一定分布规律的随机变量。设计中,通常要求零件的强度高于其工作应力,但由于零件的强度值与应力值的离散性,应力#8212;强度概率密度函数曲线在一定条件下可能相交,这个相交的区域称为干涉区[1]。在干涉区内,就可能发生失效。定义干涉随机变量y = r-s,y的概率密度函数为：

（1）

随机变量y ＞ 0 的概率即零件的可靠度为：

（2）

(2)垫片密封的极限方程

垫片密封系统的泄漏率是垫片残余应力、温度和压力等因素的函数， 且随时间的变化而变化， 根据反应论模型，可用下式表示：

（3）

(3)可靠性分析解析法

利用解析法进行可靠性分析[2]， 其精度较高。下面为解析法分析的一般步骤：

计算泄漏率L的均值μL和方差σL

（4）

（5）

可靠性分析和设计

假设p、、T 均服从正态分布, 则可靠度系数β为：

（7）

如果p、T、SG 中某一变量不服从正态分布，则对其作正态当量化处理。这样便可得到密封系统基于泄漏率的可靠度：

（8）

利用上式就可求得在役垫片密封系统泄漏率L低于规定的指标泄漏LC 的可靠度。利用上述过程的逆过程则可进行密封系统的可靠性设计， 首先根据所要求的可靠度求得可靠度系数β：

（9） （4)可靠性分析Monte Carlo法

利用解析法进行可靠性分析的过程中，在求解公式（6）时，需计算L 对p、T、偏导数， 较为复杂。利用Monte Carlo方法[4]，通过计算机模拟p、T、的随机数可方便地求得泄漏率L的分布类型和分布参数μL，σL及其可靠度R（t）。

1.2.3 石墨金属波齿复合垫片力学性能的有限元分析

螺栓法兰连接方式是一种常用于容器、管道、阀门的可拆连接，垫片是其中重要的密封元件，其性能直接影响到连接密封的可靠性。目前常用的一些垫片如橡胶板垫、缠绕垫、包覆垫和金属齿形垫等存在易散架、易压溃和预压紧力较高等缺陷[1]，难以满足各种各样的密封要求，尤其是中高压(高温) 容器和管道接头密封问题。20世纪90年代一种新型波齿复合垫片逐步投入研究和使用，波齿复合垫片综合了金属密封件与非金属密封件的优点，具有较好的回弹性能、优异的综合性能。此外不同骨架材料的波齿复合垫片压缩回弹性能也不同，不锈钢骨架比碳钢骨架的回弹率高。柔性石墨熔点高、自润性好、膨胀系数大且具有优异的耐高、低温、耐化学腐蚀及耐辐射性能，在高温下，不会因长期与压紧面接触而发生黏合现象[2]。石墨金属波齿复合垫片兼具金属垫片和非金属垫片的特点，从而易于适应温度和压力的波动及耐介质腐蚀性，保证密封的安全可靠性。柔性石墨波齿复合垫片由特殊构造的金属骨架与膨胀石墨材料复合而成，金属骨架的上下表面均开有特殊形状的同心圆沟槽, 其上复合一层适当厚度的膨胀石墨材料。其结构形式有基本型、带定位环型及带隔条型3种，如图1～3 所示，其中基本型适用于榫槽面和凹凸面法兰，带定位环型适用于平面和突面法兰[3]。波齿复合垫片波型结构可以设计成”V”形槽、梯形槽和圆弧形槽，齿型可以设计成对齿和错齿2种形式。常用的金属骨架材料有08 (10) 钢、1Cr13和0Cr18Ni9。对波齿复合垫片金属骨架进行模拟计算的主要目的是分析垫片表面的应力分布，以及垫片在相同组装应力下垫片的轴向变形情况，以此来分析不同骨架结构对垫片力学性能的影响。波齿复合垫片金属骨架因只承受轴向载荷作用，其几何和载荷均为轴对称，固可将其简化为平面问题分析。按照我国2003年12月出版发行的中华人民共和国国家试验标准，标准中只给出了波齿垫片总体尺寸和总体结构形式以及外观质量和性能指标，并没有给出具体的尺寸要求，而对能否达到这一性能指标也未给出技术上的数据和说明。根据几何模型和对实际问题的简化，采用自由网格划分( Free meshing) 方法，采用四边形单元，由于不同的垫片尺寸上的差异，各个垫片骨架模型网格划分后，四边形单元格数载700左右。结果分析，(1) DN50波齿复合垫片骨架承受2.5 MPa压力时，其轴向位移最大点发生在垫片下部中间波峰处，轴向应力最大值发生在垫片上部外第二波峰处，数值为0.162#215; Pa，轴向位移最小点发生在垫片内径上，垫片下部的波峰轴向应力较小。(2)DN80 垫片在不同压力下的数值计算结果显示其变形随压力的增大而增大，垫片变形最大位置在垫片下部外第二齿尖处； 几组数据说明垫片的应力分布基本相似，应力在垫片上部齿尖处数值较大，在垫片下部齿尖处数值较小， 并且在靠近外边缘处的齿尖出现应力最大值。(3)DN50 比DN80 轴向应力大50%左右，说明DN50 的承载能力要比DN80 小。应力极值均出现在齿尖部，最大应力远小于材料的弹性极限，变形都发生在弹性变形范围之内。(4)DN50 和DN80波齿复合垫片在同一压力2.5MPa的作用下，DN50 的变形程度比DN80 大15%左右，因垫片波齿数目和分布不同，轴向变形极值的位置不同；由此计算出的DN50 实际最大压缩率为0.9255%，DN80的实际最大压缩率为0.921%，都小于标准规定的压缩率，由于DN50承受的应力大，相对而言，DN50的压缩性能要强于DN80。分析使用有限元软件计算获得的应力分布情况可以得出, 不同的结构参数条件下，波齿垫片的性能有很大的差异，因此许多结论需要进一步通过试验进行验证。下一步的主要工作是选用多种不同厚度、不同半径的波齿复合垫片在不同试验压力条件下进行性能的对比分析，得出更加全面的结论。

1.2.4 微机控制的电液伺服型密封垫片综合性能测试装置

试验在常温下进行，试验介质为水和氮气，按规定尺寸备好垫片试件，置于室温干燥器内备用，每批试件不少于3片，用丙酮仔细清洗法兰密封表面，垫片对中安置，检查试验装置各环节。在作好上述试验准备工作之后， 便可开启微机并参照菜单进行垫片性能试验。测试软件按图所示框图编制。

1.2.5 垫片密封技术研究和新型密封材料的开发

理想的垫片密封材料应具有表面易屈服、整体回弹性能好的综合特性。石棉具有耐化学腐蚀、抗热、阻燃、加工容易及成本低等独特优点，是理想的密封材料。但石棉是强致癌物质，严重危害人体健康，这就迫使人们寻找某种与石棉性能相类似甚至比石棉性能更好且价格适宜的代石棉材料。柔性石墨具有优异的的耐化学腐蚀、耐高低温及耐辐射性能。但单纯的柔性石墨材料力学强度不足，不耐氧化。聚四氟乙烯材料塑性好，抵御化学腐蚀能力强，但由于回弹性较差以及冷流倾向， 其使用范围受到限制。非石棉密封材料必将成为今后密封材料研究的重点。美国、德国和日本等国已先后研制成功各种系列的非石棉纤维垫片材料， 但价格十分昂贵。国内虽有少量的产品，但品种不全，适用工况范围窄，材料性能亦与进口产品相差甚远。非石棉密封材料作为一种新型密封材料，需要兼顾力学性能、高温性能、密封性能和工艺性能，因此采用单一有机或单一无机纤维增强很难满足上述要求。采用混杂纤维制备复合材料是一有效途径。非石棉密封材料的增强纤维应具有较好的耐高温性能、较高的耐腐蚀和耐溶剂能力、足够的单丝强度和韧性、合适的长径比、与橡胶( 或其他树脂)粘结力好以及容易进行表面处理等特点。目前常用的增强材料有芳纶纤维、聚丙烯腈纤维、玻璃纤维、纤维素纤维、矿物纤维、碳纤维和陶瓷纤维等。工艺试验研究的重点应放在纤维表面处理、混炼和硫化等工艺环节上。近年来, 静密封技术的研究工作主要集中在密封机理和垫片性能等方面。泄漏模型的建立，使泄漏率的定量计算成为可能。依据连接结构强度和紧密性准则设计方法研究承受动载荷作用下螺栓法兰连接的力学性能和紧密性是目前密封领域研究的重点和难点。高品质非石棉密封材料的开发将成为密封技术领域的热点，而可靠性理论在密封技术领域的应用以及静密封专家系统的建立将对密封技术的发展起到极大推动作用。

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

本文研究的内容

随着科学技术的发展，工业生产中高温、高压、易燃易爆、强腐蚀性、剧毒和放射性等介质的工况日益增多。这些系统一旦产生泄漏，不仅浪费能源和材料，而且污染环境，甚至造成人员伤亡及财产损失等严重危害。流体密封是一个复杂而较难解决的问题。垫片密封是过程工业装置中压力容器、工艺设备、动力机器和连接管道等可拆卸处最主要的静密封型式。垫片性能对密封可靠性有着至关重要的作用。因此，研究承受动载荷垫片的力学行为保证系统和设备的长周期安全可靠运行具有十分重要的意义。

1．对螺栓法兰连接用金属非金属垫片及其性能表征方法的相关文献进行查阅并进行综述。